硫酸亚铁铵实验不同结晶条件的探讨

第44卷第3期2019年6月

广州化学

Guangzhou Chemistry

V ol. 44 No. 3

Jun. 2019

文章编号：1009-220X(2019)03-0055-04 DOI:10.16560/ki.gzhx.20190306

硫酸亚铁铵实验不同结晶条件的探讨

刘洋，易正戟，毛芳芳，陈满生

（衡阳师范学院，湖南衡阳421008）

摘要：硫酸亚铁铵的制备是大学基础化学实验的一个经典实验，结晶条件对目标产物的结构和形态

影响较大，研究了在不同结晶条件下制备了硫酸亚铁铵，并对其进行了单晶结构测试和解析，探讨了

硫酸亚铁铵的最佳结晶条件。

关键词：基础化学实验；硫酸亚铁铵；结晶条件

中图分类号：G64；O6 文献标识码：A

硫酸亚铁铵的制备是大学无机化学实验中的一个经典实验，在实验中学生可以学习到称量、溶解、加热、过滤、蒸发、浓缩结晶、干燥等系列基本操作[1-2]。但在实验过程中，不同学生制备出的产物有较大差别，有的呈现粉状，有的则能制备出浅绿色单晶体。在教材中（北师大编）没有对产物形貌进行更多的涉及。从近年来发表的硫酸亚铁铵制备实验的教改论文来看，主要是关于制备反应过程的讨论，涉及结晶条件的较少[3-7]。从教学过程来看，如果学生能通过制备实验得到透明的浅绿色单晶体，会使大一新生从一开始就对无机化学制备实验产生浓厚的兴趣。基于此，本文对硫酸亚铁铵制备实验的结晶条件进行了探讨，并对不同条件下得到的单晶样品进行了X-射线衍射分析，确定了晶体结构。

1 实验

1.1仪器与试剂

仪器：电子天平、酒精灯、锥形瓶、真空泵、布氏漏斗、蒸发皿、铁架台、石棉网。

试剂：还原铁粉、浓硫酸、硫酸铵、蒸馏水。

1.2实验原理

在本实验中所用铁粉为还原铁粉，因此无需用碱预处理。

用硫酸将还原铁粉溶解后，加入等量硫酸铵，生成的复盐溶解度均小于硫酸亚铁和硫酸铵，通过挥发溶液饱和，析出硫酸亚铁铵。反应方程式如式（1）、（2）所示。

Fe＋H2SO4FeSO4＋H2（1） FeSO4＋(NH4)2SO4＋6H2O FeSO4·(NH4)2SO4＋6H2O （2）

1.3制备过程和结晶条件

实验装置见图1所示，不同条件下的制备过程一般条件为：铁粉溶解过程在通风橱下进行，还原铁粉

收稿日期：2019-04-10

基金项目：湖南省教学改革研究课题(湘教通[2016]400号-557)]；衡阳师范学院优质课程。

作者简介：刘洋（1978~），男，山东淄博人，副教授，博士；主要从事功能配合物的分子设计与性质的研究。

liuyang@

56

广 州 化 学 第44卷

与硫酸混合后，采用小火加热，表面较少气泡冒出时，趁热过滤（如果出现白色沉淀，需补加水分重新溶解），滤液转移到蒸发皿中，小火加热，静置，待析出硫酸亚铁铵结晶。具体的实验条件如图1所示。

图1 硫酸亚铁铵实验装置简图

1）1 g Fe 粉，加15 mL 4M H 2SO 4，加热溶解，抽滤，滤液转移至蒸发皿内，加入2.3 g 硫酸铵，加热20 min ，使最终溶液维持100 mL ，静止，一周后观察，得晶体（1）。

2）1 g Fe 粉，加15 mL 4M H 2SO 4，加热溶解，抽滤，滤液转移至蒸发皿内，加入2.3 g 硫酸铵，加热20 min ，使最终溶液维持在50 mL ，静止，一周后观察，得晶体（2）。

3）1 g Fe 粉，加15 mL 4M H 2SO 4，加热溶解，抽滤，滤液转移至蒸发皿内，加入2.3 g 硫酸铵，加热，在光线下观察到溶液中液体流动，但未形成晶膜，静置，得晶体（3）。

4）1 g Fe 粉，加15 mL 4M H 2SO 4，加热溶解，抽滤，滤液转移至蒸发皿内，加入2.3 g 硫酸铵，加热，刚形成晶膜，在蒸发皿与液面交接处开始形成少许固体，静置，得晶体（4）。

2 结果与讨论

2.1 单晶X-射线衍射实验分析

如图2所示，显微镜下挑选合适尺寸的（1）、（2）、（3）单晶，用凡士林固定在玻璃丝上，在Bruker Smart Apex ⅡX-射线单晶衍射仪上采集衍射数据。其中，（1）和（3）均收集到衍射数据。采用嵌入到Olex2的SHELXS-97程序包直接法进行结构解析，以全矩阵最小二乘法进行数据精修，所有氢原子均通过衍射峰加氢。

单晶解析数据结果表明，（1）和（3）晶胞参数相同，并且其分子式为：Fe(H 2O)6SO 4·(NH 4)2SO 4，如图3所示，在其晶体结构中，Fe 显现为+2价，并且以[Fe(H 2O)6]2+形式存在，硫酸根离子和铵根离子以游离状态存在于晶体结构中，各个离子之间以氢键作用形成硫酸亚铁铵晶体。

图2 不同条件下得到的硫酸亚铁铵

（1） （2） （3） （4）

通风橱下操作

H 2SO 4 Fe 屑

硫酸铵 静置

滤液 硫酸亚铁溶液

第3期刘洋等：硫酸亚铁铵实验不同结晶条件的探讨57

b

a

0 c

图3 Fe(H2O)6SO4·(NH4)2SO4晶体结构图（虚线表示氢键作用）

2.2加入乙醇不良溶剂的影响

在结晶过程中，为了促进结晶，通常加入乙醇等不良溶剂，可以使产物迅速析出。通过实验发现，加入乙醇结晶的产物颜色明显更浅，原因是硫酸铵在乙醇中几乎不溶解，因此溶液中的硫酸铵也会一起结晶析出，即使在抽滤时，也不能用乙醇直接淋洗，同样会使得粘附的硫酸铵析出附着在硫酸亚铁铵表面，从而使目标产物变得不纯净。

2.3停止加热时溶液的体积

保持起始原料的用量不变，改变结晶溶液的体积。当停止加热时，溶液体积为100 mL时，挥发一周可以得到大尺寸的硫酸亚铁铵晶体；随着停止加热时体积的减少，得到的晶型也有减小的趋势，但都可以得到硫酸亚铁铵的单晶体；当出现晶膜时，停止加热，得到的硫酸亚铁铵开始失去通透性。加热时，在光线下观察到溶液内部有暗流涌动时，停止加热，使结晶时间减少，并得到晶型较好的硫酸亚铁铵晶体。2.4加热方式的影响

水浴加热可以获得结晶状态良好的晶体，但由于在基础化学实验中需要时间较长。加热方式采用小火加热，可以大大缩短挥发溶液的时间；从实验过程看，加热时间在30分钟以内并未造成二价铁离子的氧化。

3 结论

对硫酸亚铁铵的结晶过程进行了分析，停止加热浓缩溶液时，体积分别在100 mL、50 mL、未形成晶膜、刚刚出现晶膜等四种条件下制备了硫酸亚铁铵，并采用单晶X-射线衍射确定了其结构，研究表明当小火加热时，当加热过程观察到溶液内部的流动，但还未出现晶膜，此时停止加热并静置，能在最短时间内得到晶型较好的硫酸亚铁铵晶体。

参考文献：

[1]姜述芹, 马荔, 梁竹梅, 等. 硫酸亚铁铵制备实验的改进探索[J]. 实验室研究与探索, 2005, 24(7): 18-20.

[2]袁爱群, 禤金彩, 张直, 等. 用绿色化学理念改进硫酸亚铁铵制备实验[J]. 化学教学, 2004(5): 8-9.

[3]董志强, 吕银云, 任艳平. 对“硫酸亚铁铵制备”实验的再认识——批判性思维教育的最好案例之一[J]. 大学化学,